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論網(wǎng)格技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展
摘 要：本文論述了網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展概況、在科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍、網(wǎng)格服務(wù)的特點(diǎn)以及在未來網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)中的發(fā)展?jié)摿Α?BR>關(guān)鍵詞：網(wǎng)格；互聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)庫；資源共享
現(xiàn)代社會(huì)由于大規(guī)模的科學(xué)和工程計(jì)算的需求，迫使計(jì)算機(jī)必須不斷地提高其運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量。計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史表明，為了達(dá)到更好的處理性能，除了必須提高系統(tǒng)的硬件的速度外，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也必須不斷改進(jìn)，特別是當(dāng)元器件的速度達(dá)到極限時(shí)，后者將變成焦點(diǎn)問題。于是，超級(jí)并行機(jī)已經(jīng)成為復(fù)雜科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的主宰。但以超級(jí)計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算模式存在明顯的不足，而且目前正在經(jīng)受挑戰(zhàn)。而隨著人們?cè)谌粘９ぷ饔龅降纳虡I(yè)計(jì)算越來越復(fù)雜，人們迫切需要數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，而超級(jí)計(jì)算機(jī)的價(jià)格顯然阻止了它進(jìn)入普通人的工作領(lǐng)域。于是，人們開始尋找一種造價(jià)低廉而數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)的計(jì)算模式，最終科學(xué)家們經(jīng)過努力找到了答案——Grid Computing（網(wǎng)格計(jì)算）。
網(wǎng)格（grid）是一個(gè)集成的計(jì)算與資源環(huán)境，或者說是一個(gè)計(jì)算資源池。網(wǎng)格也是一種先進(jìn)的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施（Advanced Computational Infrastructure，簡(jiǎn)稱ACI），用于研究與工程應(yīng)用相結(jié)合的項(xiàng)目，學(xué)科領(lǐng)域涉及超級(jí)計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、中間件技術(shù)、并行算法和各種計(jì)算科學(xué)研究與應(yīng)用技術(shù)，是一個(gè)綜合性的跨學(xué)科高技術(shù)研究課題。網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而迅速發(fā)展起來的，是將地理上分布的計(jì)算資源（包括數(shù)據(jù)庫、貴重儀器等各種資源）充分利用起來，協(xié)同解決復(fù)雜的大規(guī)模問題,特別是解決僅靠本地資源無法解決的復(fù)雜問題，是專門針對(duì)復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的新型計(jì)算模式。這種計(jì)算模式是利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個(gè)“虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)”，其中每一臺(tái)參與計(jì)算的計(jì)算機(jī)就是一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”，而整個(gè)計(jì)算是由成千上萬個(gè)“節(jié)點(diǎn)”組成的“一張網(wǎng)格”，所以這種計(jì)算方式叫網(wǎng)格計(jì)算。這樣組織起來的“虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)”有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，一個(gè)是數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)；另一個(gè)是能充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。
近年來，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的迅速增長(zhǎng)，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的普及和高速網(wǎng)絡(luò)成本的大幅度降低以及傳統(tǒng)計(jì)算方式和計(jì)算機(jī)的使用方式的改變，網(wǎng)格計(jì)算已經(jīng)逐漸成為超級(jí)計(jì)算發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。網(wǎng)格計(jì)算是一個(gè)嶄新而重要的研究領(lǐng)域，它以大粒度資源共享，高性能計(jì)算和創(chuàng)新性應(yīng)用為主要特征，必將成為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推動(dòng)力。
二十世紀(jì)九十年代以來，世界各個(gè)國(guó)家，尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家，建立了很多超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心（NCSA）和工程研究中心，美國(guó)還制定了新一輪規(guī)劃的先進(jìn)計(jì)算框架計(jì)劃(ACIP),發(fā)展面向21世紀(jì)的先進(jìn)計(jì)算技術(shù). 我國(guó)在科技部的領(lǐng)導(dǎo)和主持下，經(jīng)過306主題專家組及相關(guān)單位的努力，作為我國(guó)高性能計(jì)算和信息服務(wù)的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施的國(guó)家高性能計(jì)算環(huán)境發(fā)展很快。在已建成的5個(gè)國(guó)家級(jí)高性能計(jì)算中心基礎(chǔ)上，又于中南、西北等地建立了新的國(guó)家高性能計(jì)算中心，科技部并加強(qiáng)了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的建設(shè)，形成以科學(xué)院為主體的計(jì)算網(wǎng)格。教育部也啟動(dòng)了網(wǎng)格計(jì)算工程，第一批12個(gè)網(wǎng)點(diǎn)正在建設(shè)中，國(guó)家基金委也列出專向基金資助網(wǎng)格計(jì)算。
網(wǎng)格是借鑒電力網(wǎng)（electric power grid）的概念出來的，網(wǎng)格的最終目的是希望用戶在使用網(wǎng)格的計(jì)算能力時(shí)，就如同現(xiàn)在使用電力一樣方便簡(jiǎn)單。
在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域，網(wǎng)格計(jì)算可以在以下幾個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用：
1.分布式超級(jí)計(jì)算。網(wǎng)格計(jì)算可以把分布式的超級(jí)計(jì)算機(jī)集中起來，協(xié)同解決復(fù)雜的大規(guī)模的問題。使大量閑置的計(jì)算機(jī)資源得到有效的組織，提高了資源的利用效率，節(jié)省了大量的重復(fù)投資，使用戶的需求能夠得到及時(shí)滿足。
2.高吞吐率計(jì)算。網(wǎng)格技術(shù)能夠十分有效地提高計(jì)算的吞吐率，它利用CPU的周期竊取技術(shù)，將大量空閑的計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源集中起來，提供給對(duì)時(shí)間不太敏感的問題，作為計(jì)算資源的重要來源。
3.數(shù)據(jù)密集型計(jì)算。數(shù)據(jù)密集型的問題的求解往往同時(shí)產(chǎn)生很大的通訊和計(jì)算需求，需要網(wǎng)格能力才可以解決。網(wǎng)格可以藥物分子設(shè)計(jì)、計(jì)算力學(xué)、計(jì)算材料、電子學(xué)、生物學(xué)、核物理反應(yīng)、航空航天等眾多的領(lǐng)域得到廣泛的需求。
4.基于廣泛信息共享的人與人交互。網(wǎng)格的出現(xiàn)更加突破了人與人之間地理界線的限制，使得科技工作者之間的交流更加的方便，從某種程度上可以說實(shí)現(xiàn)人與人之間的智慧共享。
5.更廣泛的資源貿(mào)易。隨著大型機(jī)的性能的提高和微機(jī)的更加普及，及其資源的閑置的問題也越來越突出，網(wǎng)格技術(shù)能夠有效地組織這些閑置的資源，使得有大量的計(jì)算需求的用戶能夠獲得這些資源，資源的提供者的應(yīng)用也不會(huì)受到太大的干擾。需要計(jì)算能力的人可以不必購買大的計(jì)算機(jī)，只要根據(jù)自己的任務(wù)的需求，向網(wǎng)格購買計(jì)算能力就可以滿足計(jì)算需求�！�
早期的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是五層沙漏結(jié)構(gòu)。在五層沙漏結(jié)構(gòu)中，最重要的思想是以“協(xié)議”為中心，它側(cè)重于外部的行為而不是內(nèi)部的特征，通過協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)一種機(jī)制，使得虛擬組織的擁護(hù)與資源之間可以進(jìn)行資源使用的協(xié)商，建立共享關(guān)系，并且可以進(jìn)一步管理和開發(fā)新的共享關(guān)系。這一標(biāo)準(zhǔn)化的開放結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)格的擴(kuò)展性、互操作性、一致性以及代碼的共享都有好處。
在2002年的2月，IBM與 Globus 共同發(fā)表了OGSA（Open Grid Services Architecture），勾勒了Globus Toolkit3.0的藍(lán)圖。OGSA主要是將 Web Services、數(shù)據(jù)庫存取、J2EE 等技術(shù)規(guī)范納入網(wǎng)格計(jì)算。初步的規(guī)范已經(jīng)公布在網(wǎng)絡(luò)上供大家評(píng)估建議。
五層沙漏模型中，強(qiáng)調(diào)的是被共享的物理資源（或者是這些資源所支持的服務(wù)）在OGSA 中，服務(wù)所指的概念更廣，包括各種計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)、程序、數(shù)據(jù)庫等等，一切都是服務(wù)。五層模型實(shí)現(xiàn)的是對(duì)資源的共享，而在OGSA中，實(shí)現(xiàn)的對(duì)服務(wù)的共享。在OGSA中一切都看作是網(wǎng)格服務(wù)，網(wǎng)格是可擴(kuò)展的網(wǎng)格服務(wù)的集合，即網(wǎng)格={網(wǎng)格服務(wù)}。
以網(wǎng)格服務(wù)為中心的模型的好處有以下幾點(diǎn)：
網(wǎng)格中所有組建都是虛擬的，通過提供一組相對(duì)統(tǒng)一的核心接口，所有的網(wǎng)格服務(wù)都基于這些接口的實(shí)現(xiàn)，就可以很容易地構(gòu)造出具有層次結(jié)構(gòu)的、更高級(jí)別的服務(wù)，這些服務(wù)可以跨越不同的抽象層次，以一種統(tǒng)一的方式來看待。
虛擬化也使得將多個(gè)邏輯資源實(shí)例映射到相同的物理資源上成為可能，在對(duì)服務(wù)進(jìn)行組合時(shí)不必考慮具體的實(shí)現(xiàn)，可以以底層資源組成為基礎(chǔ)，在虛擬組織中進(jìn)行資源管理。通過網(wǎng)格服務(wù)的虛擬化，可以將通過的服務(wù)語義和行為，無縫地映射到本地平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施之上。
結(jié)語：網(wǎng)格計(jì)算將成為未來網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)發(fā)展的熱點(diǎn)。據(jù)《ForbesASAP》預(yù)測(cè)，網(wǎng)格技術(shù)將在近年度達(dá)到高峰，并帶來因特網(wǎng)的新生。如果網(wǎng)格技術(shù)能促使市場(chǎng)按預(yù)期的17%年增長(zhǎng)率持續(xù)成長(zhǎng)的話，那么在2020年將會(huì)形成一個(gè)年產(chǎn)值20萬億美元的大產(chǎn)業(yè).
【參考文獻(xiàn)】
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